Flexibele, hoogpresterende organische fotodioden evenaren of overtreffen siliciumapparaten

De prestaties van flexibele groot-oppervlakte organische fotodiodes zijn gevorderd tot het punt dat ze nu voordelen kunnen bieden over conventionele silicium-fotodiodetechnologie, met name voor toepassingen zoals biomedische imaging en biometrische monitoring die het detecteren van lage lichtniveaus over grote gebieden vereisen. De lage-ruis, oplossings-geprocesseerde, flexibele organische apparaten bieden de mogelijkheid om willekeurig gevormde, groot-oppervlakte fotodiodes te gebruiken om complexe arrays te vervangen die vereist zouden zijn met conventionele silicium-fotodiodes, die duur kunnen zijn om op te schalen voor groot-oppervlakte toepassingen. De organische apparaten leveren prestaties vergelijkbaar met die van starre silicium-fotodiodes in het zichtbare licht-spectrum — uitgezonderd in responstijd.

"Wat we hebben bereikt is de eerste demonstratie dat deze apparaten, geproduceerd uit oplossing bij lage temperaturen, zo weinig als een paar honderdduizend fotonen zichtbaar licht per seconde kunnen detecteren, vergelijkbaar met de grootteorde van licht dat ons oog bereikt van een enkele ster in een donkere hemel," zei Canek Fuentes-Hernandez, principal research scientist in de School of Electrical and Computer Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "De mogelijkheid om deze materialen op groot-oppervlakte substraten met willekeurige vormen te coaten, betekent dat flexibele organische fotodiodes nu duidelijke voordelen bieden over state-of-the-art silicium-fotodiodes in toepassingen die responstijden in de orde van tientallen microseconden vereisen."

Organische elektronische apparaten zijn gebaseerd op materialen geproduceerd uit koolstof-gebaseerde moleculen of polymeren in plaats van conventionele anorganische halfgeleiders zoals silicium. De apparaten kunnen gemaakt worden met behulp van eenvoudige oplossings- en inkjet-printtechnieken in plaats van de dure en complexe processen betrokken bij de productie van conventionele elektronica. De technologie wordt nu wijd gebruikt in displays, zonnecellen en andere apparaten.

De organische fotodiodes gebruiken polyethyleenimine, een amine-bevattende polymere oppervlaktemodifier die gevonden is om lucht-stabiele, lage werkfunctie-elektroden te produceren in fotovoltaïsche apparaten ontwikkeld in het laboratorium van Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit Professor aan Georgia Tech. Het gebruik van polyethyleenimine werd ook getoond om fotovoltaïsche apparaten met lage niveaus van donkere stroom te produceren — de elektrische stroom die door een apparaat stroomt zelfs in het donker. Dit betekende dat de materialen nuttig kunnen zijn in fotodetectors voor het vastleggen van zwakke signalen van zichtbaar licht.

Een toepassing voor de nieuwe apparaten is in pulsoximeters die nu op vingers geplaatst worden om hartslag en bloedzuurstofniveaus te meten. Organische fotodiodes mogen meerdere apparaten op het lichaam toelaten en werken met 10 keer minder licht dan conventionele apparaten. Dit kan draagbare gezondheidsmonitors in staat stellen verbeterde fysiologische informatie en continue monitoring te produceren zonder frequente batterijwisselingen. Andere potentiële toepassingen omvatten mens-computer-interfaces zoals gebarenherkenning en -besturing zonder aanraking.

Een toekomstige toepassing is detectie van ioniserende straling door scintillatie — een lichtflits uitgezonden door een fosfor wanneer geraakt door een hoog-energie deeltje. Het verlagen van het detecteerbare lichtniveau zou de gevoeligheid van het apparaat verbeteren, wat detectie van lagere stralingsniveaus toelaat. Detectie van straling uitgezonden van voertuigen of vrachtcontainers vereist een groot detectiegebied, wat makkelijker te maken zou zijn van organische fotodiodes dan van arrays van silicium-fotodiodes.

Organische fotodiodes zouden soortgelijke voordelen kunnen hebben in Röntgenapparatuur, waar artsen het kleinst mogelijke stralingsniveau willen gebruiken om de dosis aan de patiënt te minimaliseren. Hier weer zouden gevoeligheid, groot gebied en flexibele vormfactor organische fotodiodes een voordeel moeten geven over silicium-gebaseerde arrays.

De organische fotodiodes kunnen elektronische ruisstroomwaarden in de tientallen femtoampere bereik en noise equivalent power waarden van een paar honderd femtowatt tonen. Belangrijkste prestatiefactoren van de organische fotodiodes vergelijken goed met silicium, uitgezonderd in het gebied van responstijd, waar onderzoekers werken aan een honderdvoudige verbetering om toekomstige toepassingen mogelijk te maken.

"Organische dunne films absorberen licht efficiënter dan silicium, dus de algehele dikte die je nodig hebt om dat licht te absorberen is erg klein," zei Kippelen. "Zelfs als je hun oppervlakte opschaalt, blijft het algehele volume van je detector klein met organica. Als je het oppervlak van een siliciumdetector vergroot, heb je een groter volume materialen dat bij kamertemperatuur veel elektronische ruis genereert."

De fotodiodes gemaakt in Kippelen's lab gebruiken een actieve laag van slechts 500 nanometer dik. Een gram van het materiaal, ruwweg de grootte van een vingertop, zou het oppervlak van een kantoorbureau kunnen bedekken.